※양자역학의 발달과정
오래전부터 과학자들은 빛의 본성이 탁구공이나 쌀알 같은 입자인지, 아니면 물결이나 소리와 같은 파동인지를 놓고 진지한 논쟁을 벌여왔다. 하지만 빛을 입자로 보는 부류나 파동으로 보는 부류 모두 형광현상이나 냉광 현상, 광전 효과 등을 설명하는 데 큰 어려움을 겪고 있었다.
이미 19세기 말에 빛은 전기장과 자기장이 공간 속에서 펴져 나가는 전자기파임이 밝혀졌다. 하지만 빛을 단순히 전자기파로 본다면 냉광이나 광전 효과를 설명할 수 없었다. 빛이 파동이라면 진동수와 파장을 가질 것이다.
알버트 아인슈타인은 빛이 파동이긴 하지만 그 에너지가 일정한 단위로 띄엄띄엄 떨어져 있다고 제안했다. 이 제안이 바로 1905년 알버트 아인슈타인이 발표한 빛알 이론으로, ‘양자’라는 것을 가장 잘 보여준다. ‘빛알’은 ‘빛양자’나 ‘광양자’, 또는 줄여서 ‘광자’라고 부른다. 이 이론은 쉽게 말해, 빛의 에너지는 실수가 아니라 자연수로 존재한다는 것이다.
빛의 에너지를 ‘빛알’의 개수로 바꿔서 따지게 되면, 그동안 제대로 설명하지 못했던 빛과 관련된 많은 현상들을 설명해 낼 수 있었다. 이러한 아인슈타인의 제안은 매우 혁명적이었지만, 이미 1900년, 그의 스승이었던 독일의 막스 플랑크가 흑체복사라는 현상을 설명하기 위해 빛알 이론과 직접 통하는 아이디어를 제안한 적이 있었다. 플랑크의 복사 법칙이라 불리는 이 법칙을 설명하면서 그는 최초로 ‘양자’의 개념을 주장했고, 이는 양자역학의 토대가 된다.
1913년에는 덴마크의 닐스 보어가 새로운 원자 모형을 제안했다. 이것은 영국의 어니스트 러더퍼드가 1911년에 제안한 모형에 바탕을 두고 있었다. 러더퍼드의 모형은 마치 태양계처럼 한가운데 원자핵이 있고 그 주위를 전자들이 궤도를 이루면서 회전하는 모형이었다. 보어는 이 원자 모형이 제대로 작동하기 위해서는 모든 궤도가 허용되는 것이 아니라 띄엄띄엄 떨어진 몇 개의 궤도만 허용 가능하다고 가정해야 함을 주장했다.
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2013.02.08
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